A 'luz invisível': da história da ciência ao ensino de física.

## A 'luz invisível': da história da ciência ao ensino de física.

Vitor Acioly Barbosa¹², Ildeu de Castro Moreira³

## ¹Escola Parque

## ²Colégio Santo Agostinho

³Instituto de Física - UFRJ

Palavras chave: Espectro eletromagnético, Radiação infravermelha, História da Física

Resumo : O uso da história da ciência, em particular da história da física, no ensino tem sido motivo de muitas discussões, análises, práticas e avaliações educacionais nas últimas décadas (Matthews, 2014). Não é nosso objetivo aqui debater este tema em sua generalidade, mas apresentar um processo histórico importante da física no século XIX e discutir como ele poderia ser utilizado no ensino de física no Ensino Médio de maneira a contribuir para o entendimento mais aprofundado do espectro eletromagnético. A primeira parte do trabalho descreve os principais experimentos que, no início do século XIX, conduziram à confirmação da existência da 'luz invisível', ou seja, de radiações similares às do espectro visível na faixa do infravermelho e do ultravioleta. Aborda, em seguida, os trabalhos realizados na primeira metade do século XIX, tendo como pano de fundo a emergente teoria ondulatória da luz, que conduziram à ideia de um espectro luminoso unificado para as radiações luminosas provenientes do Sol. Tais radiações, nas décadas seguintes, seriam identificadas como radiações eletromagnéticas em função dos trabalhos de Maxwell e Hertz. Este processo pode ser um interessante exemplo de discussão, em sala de aula, referente a um conteúdo relevante nos cursos e nos livros de física: o espectro eletromagnético. A segunda parte do trabalho explora como uma das experiências originais, a de Herschel, relativa à radiação infravermelha, pode ser usada, em conjunto com outros quatro experimentos, que utilizam equipamentos atuais e de uso relativamente comum, como câmara, computador, LEDs e controle remoto, para demonstrar e discutir a existência de radiações eletromagnéticas fora do espectro visível. A proposta do trabalho é que estas duas dimensões, a abordagem histórica e a realização de experimentos pertinentes, estejam concatenadas na exploração didática deste importante conteúdo do ensino da física: o significado do espectro eletromagnético unificado e suas importantes aplicações no cotidiano das pessoas.

## 1. A história das radiações invisíveis

Quando se analisa determinados períodos da história da física, percebe-se com alguma frequência que diversos experimentos, interpretações e modelos teóricos, que foram fundamentais para o desenvolvimento da ciência e de novas tecnologias, não recebem um destaque significativo ou são apresentados, em muitos livros didáticos do Ensino Médio, de uma forma muito diversa daquela que

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23 a 27 de janeiro de 2017

historicamente os originou. Muitas vezes uma 'descoberta' científica é apresentada como tendo sido feita por determinado indivíduo, em uma data precisa, mas o processo, quando analisado com maior profundidade, difere significativamente daquilo que o próprio cientista propôs e até da interpretação de seus contemporâneos. Existe um processo complexo de reconstrução histórica que reformula o significado dos trabalhos iniciais e que lhes dá, retrospectivamente, a característica de uma descoberta precisamente datada. É o caso do reconhecimento atribuído a William Herschel e a Johann Ritter: eles são considerados como os descobridores das radiações infravermelha e ultravioleta, em 1800 e 1801, respectivamente, observadas a partir do espectro solar. Mas quando se examina a história destas 'descobertas' de maneira mais detalhada, percebe-se que tal crédito ao trabalho deles simplifica muito o processo de formulação inicial, observações experimentais, interpretações, reformulações posteriores e aceitação final da ideia de um espectro solar unificado, no qual todas as radiações observadas - caloríficas, químicas e luminosas - estavam inseridas, como se vê nas ilustrações dos livros didáticos atuais. Muitas questões emanam da análise deste processo, por exemplo: será que Herschel pesquisava o espectro solar já com a ideia de encontrar radiações infravermelhas ou o fez por acaso? O mesmo teria ocorrido com Ritter, no caso das radiações ultravioletas? Como eles interpretaram suas observações experimentais? Como ocorreu a aceitação e a reformulação de suas proposições iniciais? Como se chegou à ideia de que tais radiações eram similares aos 'raios luminosos' visíveis e como se chegou à ideia de um espectro unificado?

Este trabalho tem, como um de seus objetivos, destacar que uma análise histórica dos trabalhos que conduziram à identificação dessas duas radiações não visíveis e ao estabelecimento do conceito de um espectro unificado de radiações luminosas pode ter interesse do ponto de vista didático. O período escolhido vai de 1800, quando as primeiras observações sobre tais radiações são feitas, até meados da década de 1850, quando passa a ser aceita, pela maioria dos cientistas da área, a ideia de que todas elas eram parte de um espectro unificado, que incluía também as radiações visíveis, e que eram qualitativamente do mesmo tipo, diferindo apenas pela sua frequência. Isto ocorreu dentro de uma concepção ondulatória para a radiação luminosa, que emergiu paralelamente na primeira metade do século XIX.

O pioneiro na observação da radiação infravermelha (Herschel, 1800), batizada por ele de 'Raios Caloríficos' foi Frederick William Herschel (1738-1822). Além de astrônomo, era músico e compositor e teve uma vida longa de contribuições importantes para a ciência, em particular para a astronomia. Era muito hábil experimentalmente e foi o maior construtor de telescópios de sua época; entre seus trabalhos, destaca-se a primeira observação do planeta Urano e os desenvolvimentos iniciais sobre o conceito de galáxia. Aos 61 anos, Herschel, em suas observações astronômicas e na busca de telescópios mais eficientes, começou a desenvolver estudos sobre o calor, mantendo o mesmo método de observação e descrição dos estudos relativos aos céus. Em um contexto de discussão sobre o conceito de luz e dos fenômenos de reflexão, refração e interferência, Herschel se concentrou no estudo dos raios solares. Isto levou à publicação de alguns trabalhos (Herschel, 1800) na Philosophical Transactions, e lidos na Royal Society, que evidenciam uma quantidade grande de observações sobre o aquecimento de materiais diferentes expostos à radiação solar. Em uma das experiências em que

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estudava os raios solares, por meio de um prisma, Herschel colocou termômetros nas diversas regiões coloridas do espectro e também na região inferior ao visível, ou seja, na região adjacente ao vermelho. O termômetro colocado nessa última região registrou a maior temperatura, após algum tempo de exposição, indicando a existência de algum tipo de radiação, mesmo fora do espectro visível. Ele batizou essa radiação de 'Raios Caloríficos'. Herschel tinha como modelo para a luz a visão newtoniana corpuscular. Ele analisou também a faixa correspondente à região do espectro luminoso acima do violeta, mas não detectou aquecimento no termômetro.

O cientista a quem os textos atuais atribuem a descoberta da faixa ultravioleta do espectro solar, é o físico e químico Johann Wilhelm Ritter (1776-1810). Ele batizou as radiações que observou de 'Raios Químicos', tendo falecido antes que o nome 'radiação ultravioleta' surgisse (Ritter, 1801). Era também filósofo e vivia fascinado com experiências relacionadas com a excitação de músculos e de órgãos sensoriais; seus estudos ganharam um destaque especial devido à utilização de seu próprio corpo em exposição a voltagens muito elevadas, o que possivelmente contribuiu para a sua morte precoce. Ritter, após tomar conhecimento dos resultados de Herschel, e fortemente motivado por suas concepções emanadas da Naturphilosophie , adquiriu a convicção de que existiriam raios invisíveis na outra 1 polaridade do espectro. Fez observações utilizando placas com produtos químicos e descobriu que o cloreto de prata era transformado mais rapidamente, do branco ao preto, quando colocado na região do espectro depois do violeta. Ritter batizou-os de 'Raios Químicos'. Essa descoberta foi publicada com o título significativo de: 'A polaridade química da luz' (Ritter, 1801). Ritter resumiu assim suas conclusões: 1Há raios de luz solar que não iluminam e das quais uma parte é refratada com maior intensidade, e outra com menor intensidade, comparando com todos os raios que iluminam; 2 - A luz solar em seu estado não dividido é uma neutralização das duas determinantes exclusivas de toda atividade química oxigenação e desoxigenação (= hidrogenação); 3 - Por meio de um prisma, a luz solar se divide em dois polos semelhantes. O lado vermelho do espectro e aquele que o beira externamente (infravermelho), se torna o lado da oxigenação, o lado violeta, pelo contrário, e aquele que o beira, se torna o lado da hidrogenação. O máximo de ambos está fora do espectro visível; suas diferenças, entretanto dentro do espectro visível ficam na região do verde. Após a identificação dos Raios Químicos, Ritter foi o responsável pelo primeiro protótipo de pilha seca, em 1802, e pela construção do primeiro acumulador elétrico em 1803.

Na sequência das observações de Ritter, e no ano seguinte (1802), o físico e químico inglês William Hyde Wollaston (1766-1828) fez experiências que confirmaram a existência de uma radiação além do violeta no espectro solar (Wollaston, 1802). Esses cientistas fizeram seus trabalhos sobre as radiações em um período no qual as concepções hegemônicas sobre a natureza da luz seguiam o modelo corpuscular de Newton. Daí a expressão frequente de 'raios' luminosos, caloríficos ou químicos. Nas décadas que sucederam estes trabalhos pioneiros

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ocorreu a formulação e a aceitação ampla da teoria ondulatória da luz, tendo como pontos de partida os trabalhos de Thomas Young (1773-1829) e Augustin-Jean Fresnel (1788-1827). Entre 1800 e 1850, muitos cientistas realizaram estudos e pesquisas sobre a natureza destas radiações, partindo dos trabalhos de Herschel, Ritter e Wollaston. Destacaram-se na construção do conceito de espectro solar unificado, escorado no emergente modelo ondulatório da luz, Ludwig Moser, Edmond Becquerel, Macedonio Melloni, Wilhelm Eisenlohr e George Stokes, entre os anos 1842 e 1854. A investigação desses artigos originais possibilita discernir procedimentos experimentais e reflexões que estabeleceram o conceito do espectro unificado de radiações luminosas. Este resultado foi importante para os pioneiros da teoria eletromagnética em ascensão naquele período, em particular para os trabalhos de Maxwell e Hertz que comprovariam a natureza eletromagnética das radiações luminosas.

- O tema, nos parece, não tem sido considerado com a importância que merece, em particular nos livros de caráter mais geral sobre história da ciência no século XIX, inclusive no excelente texto de Harmann (1985). Existem alguns artigos significativos publicados nas últimas décadas que tocam especificamente no tema, mas não são muitos, como os artigos de Barr (1960), Caneva (1978, 1988, 1997), Lovell (1968), Hong (2003) e Frercksa, Weberb e Wiesenfeldt (2009). Um trabalho importante sobre os experimentos iniciais de Herschel foi desenvolvido na dissertação de mestrado de Rilavia Almeida de Oliveira (2014), orientada por Ana Paula Bispo da Silva. Ali são discutidos detalhadamente os procedimentos e as concepções de Herschel em seus dois primeiros artigos sobre o assunto da radiação calorífica (Oliveira e Silva, 2014). Mas a maioria dos artigos e livros que investigamos não aborda o tema na linha aqui pretendida, que discute o processo posterior da construção da ideia de um espectro unificado e que tem o propósito de utilizar, pelo menos em parte, tais considerações históricas no ensino de física, de forma conjunta com experimentos que utilizam equipamentos disponíveis no cotidiano da maioria dos alunos.

Nesta fase do trabalho, advogamos que a utilização do experimento de Herschel e de alguns experimentos, que já empregamos em atividades de ensino e de divulgação e que utilizam equipamentos atuais, possibilitam interessantes momentos de observação e de convencimento dos estudantes sobre a existência da 'luz invisível' na faixa do infravermelho. Pretendemos proceder, numa segunda fase do trabalho, a uma reconstrução mais cuidadosa dos experimentos de Ritter e Wollaston. Isto nos possibilitará, esperamos, consolidar uma proposta mais ampla de como tratar deste assunto no ensino médio utilizando como inspiração inicial os principais desenvolvimentos e experimentos, as interpretações históricas a eles associadas, além de alguns experimentos mais atuais.

## 2. Experimentos em sala de aula sobre as radiações invisíveis

A visão humana, sensível às ondas eletromagnéticas, está restrita em sua percepção a uma faixa pequena de frequências. O espectro eletromagnético nos fornece uma variedade muito mais ampla das ondas eletromagnéticas existentes na natureza. Dentre as ondas adicionais às já citadas, e que conhecemos pelo seu uso tecnológico, estão os raios-X, dotados de maior energia, as micro-ondas, e as ondas de rádio, com menor energia. Apesar de não enxergar todo o espectro da radiação

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eletromagnética, o ser humano é capaz de captá-las por meio de sensores artificiais e, com isso, utilizá-las em diversas aplicações. Exemplos cotidianos são o forno de micro-ondas, aparelhos de raios-X, celulares, rádio, televisão, sensores de presença, etc. Entender o que significa o espectro eletromagnético, as diversas radiações e seus usos é um conhecimento importante para um cidadão nos dias atuais. Entender e detectar o invisível pode ser útil em diversas situações da vida cotidiana. Mas como contribuir didaticamente para se entender melhor como 'vemos' o invisível?

Neste conjunto de experimentos propostos a seguir, buscamos explorar a detecção da radiação infravermelha. Há várias maneiras de fazê-lo. Iniciamos a proposta didática com o experimento original de Herschel.

Experimento 1 - Experimento de Herschel . O esquema ilustrado no experimento original utiliza um conjunto de termômetros colocados no espectro produzido por um prisma (Figura 1). Uma interessante versão deste experimento foi proposta e desenvolvida por Oliveira (2014).

Figura 1. Experiência original de William Herschel para detecção de radiação infravermelha

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Além do uso dos termômetros, há outras formas mais modernas de detectar a radiação infravermelha, baseadas na mudança de alguma propriedade física dos materiais. Uma classe particular de materiais, os semicondutores, pode ser utilizada para esse fim. Eles possuem a característica de modificar suas propriedades elétricas quando submetidos à radiação. Dentre os materiais semicondutores, o que mais se destaca, por seu uso comercial, é o silício (Si). Além de ter um custo baixo, ele é conveniente para aplicações onde se deseja detectar a faixa de radiação do visível (400 nm a 700 nm) e do infravermelho próximo (700 nm a 1400 nm) por possuir absorção deste tipo de radiação nesta faixa de comprimentos de onda.

Uma aplicação das propriedades ópticas do Si é a utilização desse material em sistemas de imageamento no visível, ou seja, nas câmeras fotográficas digitais usuais. Essas câmeras possuem um filtro para bloquear a radiação infravermelha com o objetivo de detectar apenas a luz visível. Para que uma câmera fotográfica popular (webcam) seja sensível tanto ao visível quanto à radiação infravermelha, o filtro de infravermelho deve ser retirado. A câmera passa, então, a captar as imagens como uma câmera de vídeo e é sensível ao infravermelho e ao visível.

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Sequência de retirada de filtro infravermelho: (a) desmontagem da webcam , (b) remoção do sistema de lentes, (c) separação do filtro de IR e (d) remontagem do sistema de lentes.

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Além do experimento de Herschel, os experimentos aqui sugeridos são as seguintes:

Experimento 2 'Vendo o invisível gerado em um controle remoto'. O experimento ajuda a demonstrar que, apesar da radiação infravermelha não ser muito conhecida fora dos meios técnicos, ela é bastante utilizada em nosso cotidiano em aparelhos como o controle remoto, por exemplo. Pega-se um controle remoto e quando é acionado um botão, apontado para a webcam modificada, a informação é processada e vista na tela de um computador, sendo que a radiação emitida pelo controle remoto não é vista a olho nu;

Experimento 3 'Enxergando a luz invisível além do vermelho' - Usa-se uma lâmpada incandescente ou uma de LED branco, e ilumina-se um CD ou DVD, e, por meio da difração, é possível se ver o espectro similar ao do arco-íris. Ao detectar essa imagem com a webcam modificada, pode-se perceber que, além do vermelho, há uma outra radiação (a infravermelha), que não é visível ao olho humano;

Experimento 4 'Enxergando o calor de uma resistência' - Ao ligar uma pequena resistência em uma fonte, a energia elétrica é transformada em energia térmica e a resistência fica aquecida. Ao olhar essa resistência a olho nu, nada é percebido, mas ao se observar essa mesma resistência com a webcam modificada, percebe-se que ela está emitindo uma radiação, que é a infravermelha;

Experimento 5 'Visão noturna' - Uma lanterna com lâmpada de LED visível, pode ter as lâmpadas trocadas por lâmpadas de LED que emitem infravermelho. Em um ambiente escuro, essa lâmpada ligada não ilumina nada a olho nu. No entanto, quando é vista pela webcam modificada, o ambiente fica 'iluminado' pela luz invisível.

Os experimentos 2, 3 e 5 foram realizados com proveito em diversas ocasiões, em salas de aula, cursos e palestras - com a utilização do kit 2 Vendo o Invisível desenvolvido pelo INCT-DISSE (Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia - Laboratório de Nanodispositivos Semicondutores - PUC-RJ).

## 3. Considerações finais

A proposta aqui apresentada pretende que estas duas dimensões, a abordagem histórica e a realização de experimentos sobre as radiações invisíveis, estejam concatenadas na exploração didática deste importante conteúdo do ensino

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da física: o significado do espectro eletromagnético unificado e suas importantes aplicações no cotidiano das pessoas. A primeira parte do trabalho, a da pesquisa histórica, está em fase adiantada e possibilita algumas conclusões interessantes emanadas deste percorrido histórico:

- i) A descoberta dos 'raios caloríficos' decorreu em grande medida das práticas de construção de telescópios, quando se tornou importante analisar o aquecimento produzido pela luz solar e pelo uso de lentes cada vez maiores. Talvez não seja surpresa que tenha sido Herschel o precursor, ele que era o maior construtor de telescópios na sua época, além de ser um observador atilado e experimentador hábil;
- ii) A influência filosófica no desenvolvimento da ciência se fez presente na atitude de Ritter que, movido pelas ideias de simetria e harmonia no Universo provenientes da Naturphilosophie que abraçava, veio a acreditar na existência de radiações também do outro 'lado' ('polaridade') das radiações luminosas. Ele vai encontrá-las utilizando outros métodos de detecção, no caso as reações químicas;
- iii) A construção da ideia de um espectro luminoso unificado, no qual os raios caloríficos, os raios luminosos e os raios químicos passam a ter a mesma natureza física e são organizados em uma sequência única de comprimentos de onda decrescentes, ocorreu em um longo processo na primeira metade do século XIX. Tal processo dependeu também de desenvolvimentos matemáticos, em particular pelos trabalhos relacionados com a descrição do comportamento ondulatório. Mas o fator essencial, do ponto de vista da física, se deu pela elaboração e aceitação progressiva da teoria ondulatória da luz, escorada em vários experimentos, como os de Young, Malus, Arago e outros, e das formulações teóricas de Ampère, Poisson e Fresnel. Tal teoria veio substituir o modelo corpuscular anterior, no qual estavam inseridos Herschel e Ritter. Ela possibilitou a Moser, Becquerel, Melloni, Eisenlohr e Stokes chegarem ao conceito de um espectro unificado, no qual as radiações anteriormente mencionadas não passavam de ondas de mesma natureza e que diferiam apenas pelas suas frequências. O passo seguinte, da identificação da luz como onda eletromagnética, se daria com os trabalhos de Maxwell, Lorenz e Hertz.

Um desafio a ser explorado na última etapa do trabalho, ainda a ser realizada, será apresentar conjuntamente e de forma integrada estas dimensões em atividades de sala de aula, buscando acoplar no processo educacional três aspectos: a discussão histórica, que possibilita mostrar a complexidade do processo de construção do conhecimento científico, com o surgimento de fatores diversos (neste caso tecnológicos, filosóficos, matemáticos, etc) que limitam, possibilitam ou estimulam avanços científicos; o uso de experimentos e medições por parte do estudantes; e a exploração, neste processo, de equipamentos eletrônicos com os quais convivemos no cotidiano e que têm muita física neles embutida.

## Referências

- 1) Barr, E. S. Historical survey of the Early Development of the Infrared Spectral Region. American Journal of Physics 28, p. 42, 1960.
- 2) Becquerel, E. "Mémoire sur la constitution du spectre solaire." Bibliothèque Universelle de Genève, 40, 341-367, 1842.

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- 3) Caneva, K. L. Conceptual and Generational Change in German Physics: The Case of Electricity, 1800-1846..Ph.D. diss., Princeton Univ., December 1974.
- - Physics and Naturphilosophie: A Reconnaissance. Hist. of Sci., 35, 35-106, 1997.
- 4) Dreyer, J. L. E. (ed). 'The Scientific Papers of Sir William Herschel'. Cambridge: CUP, 2013
- 5) Frercksa, J.; Weberb, H. and Wiesenfeldt, G. Reception and discovery: the nature of J W Ritter's invisible rays. Studies in Hist. and Phil. Sc. Part A, v. 40, 143-156, 2009.
- 6) Harmann, P. M. Energy, Force and Matter, Cambridge University Press, 1985.
- 7) Herschel, W. Investigation of the Powers of the Prismatic Colours to Heat and Illuminate Objects. Philosophical Transactions 90, p. 255-283, 1800
- - Experiments on the Refrangibilitiy of the Invisible Rays of the Sun. Philosophical Transactions 90, p. 284-292, 1800
- 10) Holland, J. 'Key Texts of Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) on the Science and Art of Nature'. Amsterdam: BRILL, 2010.
- 11) Hong, S. Theories and experiments on radiation from Thomas Young to X Rays. In The Cambridge History of Science: Vol. 5. The Modern Physical and Mathematical Sciences. Mary Jo Nye (ed). Cambridge: CUP, p.274-287, 2003.
- 13) Lovell, D. J. Herschel's Dilemma in the Interpretation of Thermal Radiation. Isis 59, pp. 46-60
- 14) Matthews, M. R. (ed.). International Handbook of Research in History, Philosophy and Science Teaching, 3 vols. Springer, 2014.
- 15) Melloni, M. "Mémoire sur une coloration particulière que présentent les corps relativement aux rayons chimiques; sur les rapports de cette nouvelle coloration avec la thermochrôse et la coloration proprement dite; sur l'unité du principe d'où dérivent ces trois propriétés de la matière ponderable, et sur l'identité des rayons de toutes sortes vibrés par le soleil et par les sources lumineuses ou calorifiques." Bibliothèque Universelle de Genève, N.S., 39, 121-175.
- 16) Moser, L. F. "Ueber den Proceß des Sehens und die Wirkung des Lichts auf alle Körper." Annalen der Physik und Chemie, 56 (= Ser. 2, 26), 177-234 (June). Translation: "On Vision, and the Action of Light on all Bodies." Scientific Memoirs, Selected from the Transactions of Foreign Academies of Science and Learned Societies, and from Foreign Journals, 3, Pt. 11, 422-461, 1843.
- 17) Oliveira, R. A. Explorando Episódios Históricos no Ensino de Física: o calor como radiação em fins do século XVIII. Orientadora: Ana Paula Bispo da Silva. Dissertação de mestrado. UFPB. Campina Grande/PB, 2014.
- - Oliveira, R. A., Silva, A. B. William Herschel, os raios invisíveis e as primeiras ideias sobre radiação infravermelha. Revista Bras Ensino de Física 36, n. 4, p. 1-11, 2014.

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- 18) Ritter, J. W. "Chemische Polarität im Licht. Ein mittelbares Resultat der neuern Untersuchungen über den Galvanismus." Litteratur-Zeitung (Erlangen), Intelligenzblatt, No. 16 (18 April), cols. 121-123, 1801
- - "[Auffindung nicht sichtbarer Sonnenstrahlen außerhalb des Farbenspectrums, an der Seite des Viotets.]" Annalen der Physik, 7, 527, in a section headed "Auszüge aus Briefen an den Herausgeber," 501-528 (April), 1801
- 19) Stokes, G. G. "On the Change of Refrangibility of Light." Philosophical Transactions of the Royal Society of London, [142], Pt. 2, 463-562, pl. XXV, 1852.
- 20) Wollaston, W. H. "A Method of examining refractive and dispersive Powers, by prismatic Reflexion."Philosophical Transactions of the Royal Society of London, [92], Pt. 2, 365-380, pl. XIV. Read 24 June 1802.

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